[分享]钢-混凝土组合结构在海洋工程中的应用研究

图1  钢-混凝土组合结构在陆地工程中的应用

桥梁是海洋工程最重要的结构形式之一。近年来，随着港珠澳大桥[3]等大型跨海大桥的建成通车，以及大连湾大桥等工程的设计建造提上日程，跨海大桥在世界范围内尤其是在我国得到了跨越式发展。在海洋高湿度、高氯离子含量环境下，混凝土开裂后钢筋及钢材锈蚀问题严重，会极大影响跨海桥梁结构的耐久性[4]。所以，抗裂是跨海桥梁设计与研究中的一大难题。钢-混凝土组合结构桥梁自重轻、用钢量小、跨越能力强、施工快速便捷，在陆地桥梁工程中得到了广泛应用，在跨海桥梁特别是非通航孔标准段中有良好的应用前景。但其在连续梁负弯矩区，仍面临混凝土开裂的风险。目前，避免组合结构混凝土板开裂的技术手段主要包括：加密钢筋法[5]、纵向预应力技术[6]、群钉技术[7]、优化施工工艺法等。加密普通钢筋限制混凝土开裂的方法会因钢筋过密影响混凝土浇筑质量，同时由此导致的过高配筋率反而会不利于收缩徐变等长期效应作用下的裂缝控制。纵向预应力导入度会因栓钉的存在而大大降低，效果不显著。群钉技术虽可显著提高预应力导入度，但构造复杂，结构整体性不足，长期效应引起的混凝土板拉应力仍然无法得到有效释放。

另一方面，海洋工程对桥梁的跨越能力有很高要求，多塔斜拉桥已成为具有很强竞争力的桥型[8]。由于没有端锚索限制塔顶位移[8]，多塔斜拉桥对其中塔刚度提出了较高要求。采用刚度大、经济性好的钢-混凝土组合结构桥塔是比较理想的选择，但目前国内外应用实例仍较少。1992年Santiago Calatrava设计的景观桥Alamillo Bridge[9]主跨200m，桥塔高134.25m，采用外包钢板替换桥塔内的大量钢筋，降低了施工难度，同时满足了设计刚度要求。钢骨混凝土结构也曾局部用于诺曼底大桥[10]等斜拉桥桥塔的建设，但是该结构形式没有充分发挥两种材料各自的特性。

本团队针对上述需求，提出了新型抗拔不抗剪连接技术，并与传统支座升降、预应力、施工工序优化等技术结合，形成跨海连续组合梁桥负弯矩综合抗裂技术，应用于大连湾跨海大桥结构设计。同时，研发了新型双钢板-混凝土组合桥塔，应用于南京五桥大跨多塔斜拉桥桥塔结构。

图2  抗拔不抗剪连接件在大连湾跨海大桥非通航孔中的应用

表1 抗裂措施效果对比

本团队针对抗拔不抗剪连接件的受力性能开展了系列研究，包括滑移性能试验[13]、抗拔性能试验[14]和梁式试验[15]，如图3所示。滑移性能试验结果表明：抗拔不抗剪连接件剪力-滑移曲线捏拢效应明显，纵向滑移刚度可以忽略。抗拔性能试验结果表明：抗拔不抗剪连接件在轴拉力作用下可能发生混凝土冲切或钢腹板屈服破坏，采用建议设计公式能够保证预期的抗拔承载力。负弯矩区应用抗拔不抗剪连接件的连续组合梁试验结果则表明，抗拔不抗剪连接件能发挥其不抗剪特点，提升组合梁负弯矩区的抗裂性能。在试验基础上，进一步提出了连接件剪力-滑移骨架和滞回曲线模型，为精细数值模拟奠定了基础。

图3  抗拔不抗剪连接件性能试验及理论模型

南京五桥是205国道和312国道的过江通道，全长约10.3公里，体量及工程难度与跨海大桥相当。其中跨越长江左汊主江工程采用桥跨布置为（70+200+2×600+200+70）m的三塔组合梁斜拉桥方案，桥塔采用本团队提出的新型双钢板-混凝土组合桥塔体系，如图4所示，内外壁采用厚度分别为6mm和14/20mm的钢壳，中间填充混凝土。索塔内外钢壳均在接触混凝土侧设置纵、横向加劲肋，间距均为400mm。针对该新型桥塔，从界面连接和结构整体受力性能两个维度开展了研究。

首先根据组合桥塔界面传力需求，设计薄开孔板连接件并进行试验（图4c），加载装置如图5a所示。根据开孔边距等构造的不同，连接件发生了钢板孔底撕裂和孔侧拉断等两种破坏模式，破坏形态见图5b和5c。对于钢板孔底撕裂的连接件，钢筋在孔下部时，承载力有所提高；钢筋在孔上部时，承载力有一定降低。破坏形态以钢板孔侧拉断为主的连接件，钢筋位置仅对刚度有较大影响。

图4  双钢板-混凝土组合桥塔在南京五桥中的应用

图5  双钢板-混凝土组合桥塔薄开孔板连接件试验研究

整体受力性能研究主要考察组合桥塔在受压和受拉状态下钢、混凝土的协同工作性能，并与钢筋混凝土桥塔进行对比。如图6a所示，设计3个四点弯曲梁式试验，其中2个（TL1、TL2）为顶、底钢板厚度分别为14mm和20mm的组合试件，另外设计一个与TL1（钢板厚14mm）含钢率（体积用钢量）相同的钢筋混凝土构件TL3作为对照试件。试验结果表明，组合结构试件中钢与混凝土具有良好的协同工作性能，受压侧钢板在屈服前不会因屈曲、滑移而降低其承载能力，破坏形态如图6b所示。通过对比分析图6c可以发现，组合结构试件在加载过程中的开裂荷载、结构刚度、极限承载力、延性等力学性能指标较相同含钢率的钢筋混凝土结构试件明显提高。

图6  双钢板-混凝土组合桥塔梁式试验研究

综上所述，大跨连续组合梁桥综合抗裂新技术从组合结构的基本原理出发，有效解决了连续组合梁负弯矩区的开裂问题，与现有预应力抗裂方法相比具有显著的施工和运维成本优势，与混凝土结构整体相比具有明显的抗裂性能优势。这一新技术将极大提升结构的耐久性，已经在大连湾跨海大桥的结构设计中得到了应用，为组合结构跨海桥梁的推广应用提供了有效的技术支撑。新型双钢板-混凝土组合桥塔在开孔板连接件的作用下可以实现钢与混凝土的协同工作，与纯钢结构和混凝土结构桥塔相比有更高的承载能力、刚度和延性。同时钢板可兼作混凝土模板，提高施工效率；混凝土对钢壳的约束作用也解决了纯钢结构易局部失稳的问题。双钢板-混凝土组合结构桥塔已经在南京五桥工程中得到了应用。刚度、承载力等关键性能指标的显著优势有助于新型双钢板-混凝土组合结构桥塔在未来跨海多塔斜拉桥工程中得到进一步的推广与应用。

在跨海隧道结构工程领域，钢筋混凝土结构以及以钢板用作防水与模板的钢壳混凝土结构长期以来是两种主要的结构形式。直到20世纪80年代，随着组合结构的发展以及结构工程领域对其理解的加深，双钢板-混凝土组合结构开始应用于跨海隧道。双钢板-混凝土组合结构隧道的修建方法为沉管法，在干船坞内或大型驳船上先预制沉管隧道管节，其后浮运到修建位置，沉埋到设计位置，通过连接措施固定，最终建成水下隧道。相比于其他隧道施工方法，沉管法有结构形状限制小、地形适应能力强、可预制、防水性能好、施工方便快捷等优点。如果双钢板-混凝土组合结构隧道的钢结构部分在设计时具有足够的面外刚度，可以抵抗施工过程中混凝土浇筑、运输导致的面外变形，则混凝土浇筑可以在施工现场的水域中进行，将极大节省场地与运输的相关成本。

组合结构跨海隧道的最早提出是在1986年，英国Tomlinson公司在威尔士跨Conwy河项目中提出了重叠栓钉式双钢板-混凝土组合结构沉管隧道（图7a）[16]。基于相关研究，英国钢结构协会制定了双钢板-混凝土组合结构的设计规范[17]，其基本理论为混凝土设计规范的延伸，将钢结构部分替代为钢筋进行设计，抗剪连接件相当于箍筋。为了解决重叠栓钉式双钢板-混凝土组合结构在沉管隧道中施工的困难，简化长栓钉的焊接工作，1988年，英国Corus公司提出了一种如图7b所示的Bi-Steel双钢板-混凝土组合结构[18]，使用短钢筋作为抗剪连接件，利用旋转摩擦焊接技术，将短钢筋同时焊接在两层钢板的内部。由于受力性能良好，施工便捷，Bi-Steel组合结构在国内外的研究应用较多，已广泛应用于高层建筑剪力墙、核安全壳、防爆工程等领域[19]。其相关设计方法较为成熟，已出版相应规范[20]。但对于海底隧道来说，Bi-Steel结构的制造尺寸较小，无法满足大型隧道的要求。

真正意义上将钢-混凝土组合结构应用于跨海隧道的实际工程起源于日本。1988年，日本提出了一种由内外钢板、隔板、肋板和内部混凝土组成的隔舱式双钢板-混凝土组合沉管结构[21]（图7c）。施工期间，隔板连接内外侧的双钢板，并和加劲肋一同提高外钢板的面外刚度以便于施工；运营期间，双向隔板参与结构受力，加劲肋作为连接件保证组合作用，同时提升结构的局部稳定性。依托神户港港岛隧道工程[22]，相关学者对其开展了系列试验，对不同连接件形式、隔板形式进行对比。日本土木学会于1992年颁布了《鋼コンクリートサンドイッチ構造設計指針(案)》[23]。由于相关试验较少，其给出的设计方法沿用混凝土理论，较为保守。隔舱式双钢板-混凝土组合沉管隧道结构在日本得到了较为广泛的应用，先后建成了神户港港岛隧道（1999年）、那霸隧道（2011年）及新若户隧道（2012年）[24,25]。相关实践与研究表明，其在施工与运营阶段较好地利用了钢材性能，具有优越的抗弯、抗剪、抗冲击、防水性能，同时较大程度上节约了成本。此种组合沉管结构以钢板为主要的受拉构件，不需要配置钢筋，大大简化了施工；钢结构制作与混凝土浇筑可以实现场地分离，施工流程更加灵活，场地成本减少；钢板充当混凝土浇筑模板，管节预制工期大大缩短。我国正在建设的深圳-中山跨江通道中的沉管隧道段也采用此结构形式，依托该工程实践，本研究团队对此种结构的受力性能展开了系列深入研究[26]。揭示了其抗弯、抗剪和型钢连接件性能，提出了相应的设计方法。

图7  双钢板-混凝土组合结构海底沉管隧道

首先采用四点弯曲试验，完成了7个缩尺比为1:2隔舱式双钢板-混凝土组合结构受弯性能试验，主要研究受压钢板局部屈曲、混凝土浇筑缺陷等因素对结构抗弯性能的影响[27]。典型的试验现象与荷载-挠度曲线如图8所示，试验表明构件的主要破坏模式为受拉钢板屈服破坏；不同构件呈现了不同的屈曲发展模式，加劲肋间距越小，结构承载力越高，延性越好；与此同时，脱空对构件的屈曲的影响不大。基于试验进一步开展了有限元研究与试验研究，结果表明，整体有限元模型与试验符合良好，考虑屈曲的有限元模型、屈曲理论分析与试验相互映证，防止屈曲的横向加劲肋距厚比可以放宽到40[28]；理论分析证明了双钢板混凝土组合结构存在双向强化效应，下翼缘强化系数可以取为1.05。基于试验、有限元、理论提出了抗弯设计方法，相比于已有设计方法精度有10%左右的提升。

图8  隔舱式双钢板-混凝土组合结构受弯性能研究

最后针对型钢抗剪连接件，采用推出试验，完成了26组足尺模型的受力性能试验，每组制作3个相同的试件，共计78个[31]。研究的参数主要包括：角钢尺寸、连接件形式、脱空尺寸、混凝土强度、是否设置开孔等。试验主要采用角钢连接件和T型钢连接件。试验结果表明，连接件主要发生混凝土压溃破坏、局部破坏以及混凝土劈裂破坏，其中混凝土压溃破坏承载力较高，其余破坏形式承载力均较低（图10a）。相比无脱空连接件，三角形脱空高度为10，20，30mm的连接件的承载力分别降低11.8％、29.4％和33.8％，随着脱空增大，承载力和刚度均有所降低，如图10b所示。正向和反向角钢连接件性能出现一定差异，建议采用受力性能更好的T型连接件。进一步基于有限元模型开展参数分析，在试验研究与有限元分析的基础上提出了设计公式，相比于已有公式补充了对于脱空和开孔的设计方法，可指导工程设计。

综上所述，隔舱式双钢板-混凝土组合结构相对于传统钢筋混凝土结构尺寸小，承载能力强，抗震适应性好。双钢板既可作为混凝土模板，也可起到受力与防水的多重作用。除此以外，该结构施工便捷，预制厂地要求低。此种结构形式的跨海隧道在深中通道沉管隧道工程中已得到应用，国内外也开展了较为丰富的研究，设计方法趋于成熟，是未来跨海隧道的重要发展方向。

随着人类生产生活对海洋资源和空间的需求日益增加，海上超大型浮式平台的建设已逐渐受到重视。从上世纪90年代开始，以日本的Mega-Float项目[32]以及美国海军设施工程服务中心发起的MOB (Mobile Offshore Base)项目[33]为代表，海上超大型浮式平台得到了深入研究。Mega-Float项目主要研究以钢箱式浮体为基本结构单元的海上超大型箱式漂浮平台，该项目建造了一个千米级别的超大型海上浮式机场，并进行了包括海上超大型浮体的水弹性响应、飞机起降、飞机与超大型浮体结构的相互作用、浮体对环境的影响等一系列研究和试验，验证了超大型浮箱式平台用于海上机场建设的可行性。MOB项目主要研究深海复杂海况条件下的可移动海上超大型浮式平台，并提出了多种以半潜式浮体为基本结构单元的具有不同连接构造的平台形式。

目前，钢结构是海上超大型浮式平台最主要的结构形式，也有极少浮体使用钢筋混凝土结构建造。然而，由于结构体型较大，经济性、安全性和使用寿命要求较高，使用传统的钢结构或钢筋混凝土结构仍然存在一些问题难以解决。例如对于钢结构，其抗火、抗爆、抗冲击性能较差，腐蚀问题、疲劳问题突出，造价昂贵；对于钢筋混凝土结构，其自重较大，海洋严酷条件下的耐久性问题突出、施工复杂。而将钢-混凝土组合结构应用于海上超大型浮式平台的建设能综合两种传统结构的优势，并克服传统结构的不足，主要体现在：1）使用钢-混凝土-钢组合板（图11a），内填混凝土为钢板提供面外约束，大幅提高了钢板的稳定性，减少加劲肋；同时外包钢板使得混凝土裂缝不外露，避免了混凝土的耐久性问题；2）使用多腔钢管混凝土立柱，增强立柱承载力的同时减小了水线面及受风浪作用的接触面积，提高结构的水动力性能；3）通过设计钢材与混凝土材料的配比，可为调整超大型浮体的最优刚柔特性提供创新空间。结合工程实践及各种结构形式的特点，本研究团队提出了图11所示的两种形式钢-混凝土组合浮式平台，并对此类结构的性能展开了一系列研究[34]。图11a所示结构由上甲板（顶板）、下甲板（底板）、隔板及侧板构成，上甲板、下甲板、隔板、壁板均为外包钢板-混凝土组合板， 外包钢板与内部混凝土之间使用栓钉等进行可靠连接。图11b所示结构则由上部桁架式钢-混凝土组合甲板、中部多腔钢管混凝土柱和下部双钢板-混凝土组合板潜体组成。

图11  海上超大型钢-混凝土组合浮式平台结构

海上超大型浮式平台的设计流程主要包括：

1）基于海况及使用要求，确定结构尺寸、水深、吃水深度等指标，并进行结构选型，以及整体结构和部分结构构件的初步设计。

2）根据目标海域的波浪荷载条件，对结构进行水弹性响应分析，验算结构是否满足给定的位移及变形限值。一般小型浮体在波浪荷载下的动力响应可通过传统的水动力学分析工具进行计算，然而由于海上超大型浮式平台为扁平的柔性结构物，在波浪荷载的作用下结构的弹性变形将与其刚体位移达到相同的量级，因此结构在波浪荷载下的响应一般通过考虑结构弹性变形的水弹性理论[35]进行分析。本研究团队在开源水动力学程序包NEMOH[36]的基础上，进一步开发了浮体水弹性响应计算程序包THhydro，该程序包可以基于模态展开法[37]及多体相互作用理论[38]计算超大型浮体的水弹性响应，两种方法的计算结果均与1996 年日本学者Yago和Endo[39]所做的一系列大型浮体缩尺水槽试验结果进行了对比和验证，如图12所示。图中横坐标为沿结构长度方向的相对坐标，纵坐标表示结构在单位波幅作用下的竖向位移幅值响应值（RAO-z）。从图中可知，在不同入射波频率下，THhydro的水弹性计算结果与试验结果吻合良好。同时，也开展了一系列海上超大型浮式平台水弹性响应参数分析。

3）结构强度验算，评估结构构件的受力性能并进行结构优化。浮式平台主要受到波浪荷载、竖向荷载（如重力、浮力、表面的常载、活载）、系泊力等荷载的综合作用，然而，由于超大型浮体的体型较大，整体结构的精细有限元分析将面临巨大的计算量，因此一般使用子结构分析的方法进行结构强度验算。

4）基于超大型浮式平台的使用场景及特性，进行舒适性、安全性、振动等指标的评估。

为了验证钢-混凝土组合结构在海上超大型浮式平台中应用的可行性及受力特性，基于水弹性响应及结构强度分析，对一个大型钢-混凝土组合箱式浮体平台进行了案例设计和分析，并将其与相同结构尺寸、吃水深度、设计海况及应力控制水平下的纯钢结构浮箱式平台进行了对比。其中，组合结构浮体的上下甲板及隔板均使用钢-混凝土-钢组合板，纯钢结构浮体的上下甲板及隔板均使用钢板，并设置加劲肋。两种结构的尺寸均为600m×120m×8m，吃水深度4m，水深50m，横隔板间距30m，纵隔板间距30m，如图13所示。设计结果表明钢-混凝土组合浮箱式平台可以满足超大型浮式平台的变形和强度要求，并且在相同的应力控制水平、吃水深度及设计海况下，组合结构方案能够降低结构用钢量约38%（表2）。同时，也进行了一系列在不同钢与混凝土配比条件下组合浮体各项指标的参数分析，如图14所示。结果表明，混凝土与钢材用量比会对整体结构的用钢量、载重量等指标有较大影响。随着混凝土配比的增大，结构用钢量逐渐减小，混凝土用量逐渐增大，有效载重量逐渐减小，波浪荷载造成的应力贡献逐渐增大，该比例可达20%~60%，较为可观。由此可见采用可靠的水弹性力学分析方法计算波浪动力作用下的结构响应对该类结构设计非常重要。在实际设计过程中，应当根据具体的建造和使用条件来调整钢材与混凝土的配比，优化结构的各项性能指标。

图13 箱式浮体结构案例设计

表2 钢结构与组合结构方案设计结果对比

图14  钢与混凝土配比对结构各项指标的影响

综上所述，将钢-混凝土组合结构应用于海上超大型浮式平台的建设，可以在提高结构防火、抗爆、抗冲击性能的基础上，增强构件的稳定性及耐久性，显著减小结构用钢量，同时钢-混凝土组合浮式平台不用设置加劲肋，设计和施工便捷，维护成本低，具有良好的发展前景。

从跨海桥梁、海底沉管隧道和海上浮体平台三方面综述了本研究团队近年来在海洋工程组合结构研发和应用方面的工作。提出了四种新型结构形式，包括采用综合抗裂技术的海上大跨连续组合梁桥、适用于跨海多搭斜拉桥的双钢板-混凝土组合桥塔、适用于海底沉管隧道的隔舱式双钢板-混凝土组合结构和海上超大型钢-混凝土组合结构漂浮平台。对新型结构关键受力机理、力学性能和设计方法进行了较为系统深入的研究，并将其应用于大连湾跨海大桥、南京五桥、深中通道、海上超大型浮体平台等大型工程的设计。研究与实践表明，新型组合结构体系具有较为显著的性能优势，取得了令人满意的综合经济效益，为海洋工程建设提供了崭新的思路和选择，有力地推动了组合结构在海洋工程中的应用。

回顾上述工作，我们可以发现组合结构由于其灵活多样的结构形式，即使面对海洋工程复杂苛刻的荷载环境条件和使用功能需求，也能发挥其性能优势，解决工程难题。但是，目前组合结构在海洋工程中的应用仍处于起步阶段，仍需在以下几个方面开展深入研究：

1）本文研发的超大型组合结构海上浮式平台还处于初步探索和试设计阶段，要最终实现工程应用，仍需解决结构水弹性计算和响应验算的一体化设计分析问题，这需要在数值算法和软件平台方面取得突破性成果。对于正常使用阶段刚度和振动控制指标、极端荷载作用下的设计准则等问题尚不明确，缺少适用于海上超大型浮式平台结构的设计理论。此外，还应进一步开展结构优化选型研究，积极探索性能更优的新型组合结构形式，例如图13b所示的超大型半潜式组合结构浮式平台。

2）海洋工程除承受常规恒载和活载外，还需面临复杂多变的波浪荷载和水文条件，结构在上述复杂荷载下的响应分析对组合结构及其构件的设计至关重要。此外，海洋工程组合结构自身构造也较为复杂。因此，海工结构的精细模拟是一项非常重要且极具挑战的研究方向。

3）目前大量新型结构材料得到了越来越广泛地应用，如高性能钢材、超高性能混凝土、超高韧性纤维增强水泥基材料等，这些新材料在海洋工程中已经开始小范围应用探索，取得了较为显著的成效，如何将其纳入组合结构的研发中，进一步提升海工组合结构的综合受力性能和经济效益，是亟待开展的一项工作。

4）海洋工程内涵丰富，种类多样，除本文涉及的跨海桥梁、沉管隧道和大型海上浮体平台外，还包括海岸防护工程、海上人工岛、海港码头、海上城市、海上机场、海上工厂、海洋发电设施、海底军事基地、海底管道、海洋物资储藏空间、海洋文化娱乐设施等工程形式，如何在这些领域发挥组合结构优势，研发适用的结构体系，解决工程难题，是未来很长一个阶段需要关注的研究重点。